СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНОГО И СДВИГОВОГО ИМПЕНДАНСОВ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/28 G01N15/06 

Изобретение относится к ультразвуковым методам измерения параметров технических жидкостей и может быть использовано при разработке и изготовлении приборов для контроля и регулирования плотности и вязкости жидкостей.

Известно [1], что, если с помощью наклонного ультразвукового преобразователя в тонком волноводе (толщина, которого много меньше длины распространяющейся в нем волны) возбудить либо нулевую моду симметричных нормальных волн вертикальной, либо горизонтальной поляризаций, то, измерив коэффициенты затухания волны в свободном волноводе и в погруженном в жидкость, можно после соответствующей калибровки рассчитать продольный $$Z_l^L$$ и сдвиговый $$Z_S^L$$ импедансы контактирующей жидкости. Продольный импеданс жидкости равен

$$Z_l^L={\rho }^L{c}_l^L$$ ,

где ρ^L - плотность исследуемой жидкости;

$$c_l^L$$ - скорость звука в исследуемой жидкости.

Сдвиговый импеданс жидкости равен

$$Z_S^L=\sqrt{{\eta }_S{\rho }^L\omega /2}$$ ,

где η_S - сдвиговая вязкость исследуемой жидкости,

ρ^L - плотность исследуемой жидкости;

ω - круговая частота ультразвуковых колебаний.

Измеряя дополнительно скорости распространения каждой из нормальных волн в волноводе и продольной волны в жидкости и используя измеренные численные значения обоих волновых импедансов, можно рассчитать численные значения плотности и сдвиговой вязкости исследуемой жидкости.

Существенный недостаток известного способа связан с тем, что для нахождения численного значения сдвигового импеданса жидкости используется нулевая мода горизонтально поляризованной нормальной волны. Наиболее эффективным способом возбуждения таких волн в волноводе является преобразование объемной сдвиговой волны 1 в горизонтально поляризованную нормальную волну 2 за счет падения первой на боковую поверхность волновода 3 под соответствующим углом, определяемым призмой преобразователя 4 (фиг.1). Такая трансформация реализуется, как правило, с помощью наклонных преобразователей, в которых объемная сдвиговая волна возбуждается с помощью пьезокерамического элемента, поляризованного специальным способом. Поэтому цена таких пьезоэлементов существенно превосходит цену пьезоэлементов для излучения/приема продольных волн. Монокристаллические пьезоэлементы сдвиговых волн оказываются еще более дорогими. Кроме того, связь между преобразователем и волноводом должна обеспечить передачу сдвиговых напряжений. Поэтому она осуществляется путем приклеивания преобразователя к волноводу. Это делает конструкцию неразборной, что существенно усложняет сборку и настройку акустического блока. В связи с этим отказ от использования горизонтально поляризованных волн понижает стоимость и упрощает конструкцию акустического блока.

Целью изобретения является разработка ультразвукового способа автоматического контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации путем измерения их плотности и сдвиговой вязкости на основе измерения амплитуд нормальных волн, распространяющихся в двух волноводах, при котором исключено использование нулевой моды горизонтально поляризованной нормальной волны, что позволяет упростить и удешевить акустический блок прибора.

Поставленная цель достигается тем, что волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости.

Физической основой предлагаемого способа являются следующие теоретические результаты. Дисперсионное уравнение для симметричных нормальных волн вертикальной поляризации (волн Лэмба) получено в [2]. Используя это уравнение, можно показать, что коэффициент затухания α нулевой моды такой волны в тонком волноводе с погрешностью, не превышающей 2%, может быть представлен в виде

$$\alpha =a{Z}_l^{L}d+\frac{b{Z}_S^L}{d}\text{, (1)}$$

где a и b - коэффициенты, являющиеся функциями параметров волновода: скоростей распространения в нем продольной, сдвиговой и нулевой моды симметричной нормальной волны,

d - толщина волновода.

Эксперименты показывают [3], что изменения скорости нулевой моды симметричной нормальной волны под влиянием контакта волновода с жидкостью не превышают 0.2%. Поэтому при точности измерений в единицы процентов коэффициенты могут считаться постоянными и не зависящими от толщины волновода. Численные значения этих коэффициентов можно найти с помощью калибровки. Калибровка состоит в измерении α₁, и α₂, когда волновод, в котором возбуждена нулевая мода симметричной волны Лэмба, погружают последовательно в две жидкости с известными импедансами $${(Z_l^L)}_1$$ , $${(Z_S^L)}_1$$ , $${(Z_l^L)}_2$$ , $${(Z_S^L)}_2$$ , т.е. плотностями $${({\rho }_{cal})}_1$$ , и $${({\rho }_{cal})}_2$$ , скоростями распространения продольных волн $${(c_{cal})}_1$$ , и $${(c_{cal})}_2$$ и сдвиговыми вязкостями $${({\eta }_{cal})}_1$$ и $${({\rho }_{cal})}_2$$ . Затем решают систему из двух уравнений (1) относительно коэффициентов a и b.

$${({\alpha }_{cal})}_1=\alpha {(Z_l^L)}_1{d}_1+\frac{b{\left(Z_S^L\right)}_1}{d_1}$$ ;

$${({\alpha }_{cal})}_2=\alpha {(Z_l^L)}_2{d}_2+\frac{b{\left(Z_S^L\right)}_2}{d_2}$$ .

После определения коэффициентов a и b и измерения коэффициентов затухания нулевой моды симметричной нормальной волны $${\left({\alpha }_1\right)}_x$$ и $${\left({\alpha }_2\right)}_x$$ в двух волноводах толщиной d₁ и d₂ можно вычислить оба импеданса $${(Z_l^L)}_x$$ и $${(Z_S^L)}_x$$ исследуемой жидкости:

$${({\alpha }_1)}_x=a{(Z_l^L)}_x{d}_1+\frac{b{\left(Z_S^L\right)}_x}{d_1}$$ ;

$${({\alpha }_2)}_x=a{(Z_l^L)}_x{d}_2+\frac{b{\left(Z_S^L\right)}_x}{d_2}$$ ,

Блок-схема такого акустического блока приведена на фиг.2. Наклонные преобразователи 1 возбуждают в волноводах 2 и 3 (толщина d₁ и d₂) нулевую моду волны Лэмба. Оба волновода погружены в жидкость 4, находящуюся в сосуде 5. Для нахождения плотности и вязкости жидкости дополнительно измеряют скорость распространения продольной волны в исследуемой жидкости. Затем последовательно вычисляют плотность, сдвиговую и, при необходимости, кинематическую вязкости жидкости. Численные значения частоты нулевой моды симметричной волны Лэмба, необходимые для расчета сдвиговой вязкости, должны быть либо известны из параметров генератора или измерены одним из известных способов.

Литература

1. Chuprin V., Gitis M. Measurements of the Material Properties of Liquids Using Normal Acoustic Plate Waves / Proceed. 18th World Confer. NDT. Durban, 2012.

2. Zhu Z, Wu J. The propagation of Lamb waves in a plate bordered with a viscous liquid. J. Acoust. Soc. Am. 1995. v.98(2). Pt.1. pp.1057-1064.

3. Чуприн В.А. Экспериментальное исследование характеристик акустического поля нулевых нормальных мод колебаний тонких пластин // Акуст. журн. 2013. Т.59. №1. С.122-133.

Использование: для измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости, при этом волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости. Технический результат: обеспечение возможности автоматического контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации без измерения нулевой моды горизонтально поляризованной нормальной волны. 2 ил.

Способ измерения продольного и сдвигового импедансов жидкостей, заключающийся в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости,
отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешевления акустического блока, волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости.